Numerical investigation of the thermal performance of a solar water heating system with coil tube collectors

Abstract

Mevcut çalışmada, Irak hava durumu (El Necef Şehri) için su ısıtıcı kollektörün termal performansını değerlendirme amacıyla sayısal analiz yürütülmüştür.1x2 m² boyutlarında Alüminyum, bakır ve çelik olmak üzere üç farklı materyal kullanılarak su ısıtıcı kollektörü simüle edilmiştir.Simülasyonlar 2016 yılının en soğuk dört ayı (Ocak, Şubat, Kasım ve Aralık) için ortalama dış sıcaklık, güneş ışınımı ve rüzgar hızını içeren ANSYS 2015 analiz sistemi kullanılarak ele alınmıştır. Kollektörün tahmin edilen yüzey sıcaklığına nihai olarak %99 doğrulukla ulaşılana kadar ANSYS kullanılarak deneme yanılma süreci uygulanmıştır.Simülasyon süreci Irak'ta kış ayları için dört farklı sıcaklık, ışınım ve rüzgar hızı ile (0.005, 0.01, 0.015, 0.02, 0.25 ve 0.03) olmak üzere su kütle akış hızını içermektedir. Bu süreç alüminyum, bakır ve çelik kollektörler kullanılarak tekrar edilmiştir. ANSYS'de her çözüm için, kollektörler kararlı durum koşullarına ulaşana dek bir saat süre boyunca (her 5 dakika bir) on iki sonuç kaydedilmiştir. Sonuçlar kollektör yüzeyinde minimum, maksimum ve ortalama sıcaklık için kaydedilmiştir. Su için ortalama sıcaklık aynı zamanda çıkış içinde kaydedilmiştir. Bu sonuçlar her tipteki kollektör için termal performans ve verimliliğin analiz edilmesine yardımcı olmuştur.Bütün ANSYS sonuçları denklem sonuçları ile karşılaştırılmıştır ve sonuçlar maksimum %1.18 hata ile uyumlu olmuştur.Sonuçlar artan su kütle akış hızının, girişte değişen su sıcaklığının ve çevresel koşulların etkilerini göstermiştir. Sonuçlar alüminyum ve bakırın birbirlerine benzer ve yakın verimlilikte olduğunu gösterirken, çelik bu malzemeler ile karşılaştırıldığında daha düşük bir verimlilik sağlamıştır. Bakır için daha iyi termal iletkenlik ve özel ısı kapasitesi kararlılık durumu koşullarında alüminyumdan daha performans göstermiş, bununla birlikte alüminyum hacimden dolayı termal kapasiteyi etkileyen daha düşük yoğunluğu sayesinde sırası ile % 4.5 ve % 6.9 olmak üzere geçici sürede bakır ve çelikten daha iyi verimlilik göstermiştir.Anahtar Kelimeler: Güneş enerjisi, Termal, Düz plakalı kollektör, Hava veri değerlendirmesi, Ansys programı.

In the present study, a computational analysis was carried out to evaluate the thermal performance of water heater collector due to Iraqi weather (Al-Najaf city).A water heater collector was simulated using three different materials namely aluminum, copper, and steel with dimensions of 1 × 2 m².Simulations have managed using analyses system ANSYS 2015 including an average of outside temperatures, solar radiation and wind speed for the coldest four months (January, February, November, and December) at the year of 2016. A try and error procedure is done using ANSYS until reaching the predicted surface temperature of the collector with an accuracy of 99% at least. The procedure of simulations included using four different temperatures, radiations, and wind velocities for winter months in Iraq with a water mass flow rate of (0.005, 0.01, 0.015, 0.02, 0.25, and 0.03) kg/s. This procedure has been repeated using aluminum, copper, and steel collectors. For each solution in ANSYS, twelve results are recorded for one hour (every 5 minutes) until collector reaches up to steady state conditions. The results recorded for a minimum, maximum, and average temperature at collector surface. The average temperature for water at an outlet is also recorded. These results helped to study the thermal performance and efficiency for each type of collector. All ANSYS results had compared with equations results, and they are matched with a maximum error of 1.18%.The results showed the effect of increasing water mass flow rate, changing water temperature at an inlet, and the effect of environmental conditions. They showed that aluminum and copper had close similar efficiencies where steel has lower efficiency if compared with other two materials. Better thermal conductivity and specific heat capacity for copper make it perform better than aluminum at steady state conditions where aluminum shows better efficiency than copper and steel at a transient time by 4.5% and 6.9% respectively due to the less density, which effects thermal capacity due to volume.Keywords: Solar energy, Thermal, Flat plate collectors, Weather data assessment, Ansys program.